DE60316637T2 - Apparatus and method for calculating the azimuth angle - Google Patents

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Berechnungsverfahren, mit denen genaue Azimutinformationen berechnet werden können.The The present invention relates to a measuring device and a calculating method with which accurate azimuth information can be calculated.

Bis heute sind Anstrengungen unternommen worden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen von Azimutinformationen eines Fahrzeugs oder eines Sensormoduls, das sich im freien Raum bewegt, mittels eines Erdmagnetsensors wie zum Beispiel eines Fluxgate-Magnetometers bereitzustellen. Weil aber das Fluxgate-Magnetometer teuer und sperrig ist, ist es bisher nur zur Navigation eingesetzt worden.To Today, efforts have been made, a procedure and a Apparatus for calculating azimuth information of a vehicle or a sensor module that moves in free space, by means of a geomagnetic sensor such as a fluxgate magnetometer provide. But because the fluxgate magnetometer is expensive and bulky is, it has been used only for navigation.

In jüngster Zeit sind kleine und kostengünstige Erdmagnetsensormodule entwickelt worden, und insbesondere mit dem Aufkommen der MEMS-Technologie sind chipartige Erdmagnetsensormodule entwickelt und auf verschiedenen Gebieten eingesetzt worden, in denen Azimutinformationen benötigt werden. Auf den Anwendungsgebieten jedoch, wo die Erdmagnetsensormodule nicht nivelliert werden können, können genaue Azimutinformationen nicht allein mittels des Erdmagnetsensors erhalten werden.In recently, Time is small and inexpensive Earth magnetic sensor modules have been developed, and in particular with the The advent of MEMS technology is chip-type earth magnetic sensor modules developed and used in various fields, in which requires azimuth information become. In the application areas, however, where the Erdmagnetsensormodule can not be leveled can accurate azimuth information not only by means of the geomagnetic sensor to be obtained.

Allgemein ausgedrückt, ist der Erdmagnetsensor eine Vorrichtung zum Messen der Stärke des Erdmagnetfeldes, und sie ist nur dann in der Lage, die Stärke des Magnetfeldes genau zu messen, wenn ein Flussvektor des Erdmagnetfeldes parallel zu einem Vektor einer Messachse des Sensors zum Messen des Flussvektors verläuft. In diesem Fall wird, wenn ein Zweiachsen-Erdmagnetsensor, bei dem jede Achse orthogonal entsprechend einer Dreifingerregel angeordnet ist, horizontal montiert ist, um ein Sensormodul zu bilden, der durch das Sensormodul angezeigte Azimutwinkel anhand von Ausgangssignalen der beiden Sensoren errechnet.Generally expressed the earth magnetic sensor is a device for measuring the strength of the Earth 's magnetic field, and she is only able to determine the strength of Magnetic field to accurately measure when a flux vector of the earth's magnetic field parallel to a vector of a measuring axis of the sensor for measuring the river vector runs. In this case, when a two-axis earth magnetic sensor is used in the each axis orthogonal arranged according to a three-finger rule is horizontally mounted to form a sensor module which Azimuth angle displayed by the sensor module based on output signals calculated from the two sensors.

Wenn jedoch das Erdmagnetsensormodul nicht nivelliert werden kann, so kann die Stärke des Erdmagnetfeldes nicht genau gemessen werden, und die Azimutinformationen können in diesem Moment einen erheblichen Fehler enthalten. Folglich muss der auf eine Lage zurückzuführende Fehlerkompensiert werden, und dafür wird eine Fehlerkompensation durch eine Koordinatenkonversion unter Verwendung eines Dreiachsen-Erdmagnetsensors und eines Neigungswinkelmessers zum Messen der Lage ausgeführt.If However, the Erdmagnetsensormodul can not be leveled, so can the strength of the geomagnetic field can not be measured accurately, and the azimuth information can at this moment contain a significant error. Consequently, must the error attributable to a situation be, and for that an error compensation by a coordinate conversion is under Use of a three-axis geomagnetic sensor and a tilt angle meter to measure the situation.

Mit der Entwicklung eines kleinen Erdmagnetsensors weitet die Lagefehlerkompensationstechnik dessen Anwendungsgebiete auf den Sport, Multimedia, Spielekonsolen usw. aus.With The development of a small earth magnetic sensor expands the position error compensation technique its application areas to the sport, multimedia, game consoles etc. off.

Wenn jedoch aufgrund der Probleme mit dem Sensorinstallationsplatz der Zweiachsen-Erdmagnetsensor verwendet wird, so kann der Fehler nicht einfach nur durch die entwickelte Fehlerkompensationstechnik kompensiert werden, und dadurch wird der Fehler des errechneten Azimutwinkels im gleichen Maß wie die Größe der Lage größer.If however, due to the problems with the sensor installation space of the Two-axis geomagnetic sensor is used, so the error can not simply compensated only by the developed error compensation technique and thereby becomes the error of the calculated azimuth angle in the same degree as the size of the location greater.

US 4,414,753 offenbart einen Prozess zum Kompensieren der Magnetstörungen, die sich auf die Messungen eines Gerätes zum Bestimmen des missweisenden Steuerkurses eines Fahrzeugs auswirken. US 4,414,753 discloses a process for compensating the magnet disturbances that affect the measurements of a device for determining the malicious heading of a vehicle.

Die Vorrichtung von US '753 umfasst ein Zweiachsen-Magnetometer und einen Zweiachsen-Neigungswinkelmesser. Die Neigungswinkelmesswerte werden dafür verwendet, die Berechnungen des missweisenden Steuerkurses um kleine Roll- und Nickwinkel zu kompensieren.The Device of US '753 includes a two-axis magnetometer and a two-axis inclinometer. The tilt angle measurements are used for the calculations the malicious heading to small roll and pitch angles too compensate.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Berechnen eines Azimutwinkels bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor zum Erzeugen erster und zweiter Senkrechtachsen-Magnetdaten; und
einen Zweiachsen-Neigungswinkelmesser zum Berechnen eines Rollwinkels ⎕ und eines Nickwinkels ⎕
wobei die Vorrichtung des Weiteren Folgendes umfasst:
ein Mittel zum Erzeugen von Magnetdaten einer virtuellen Z-Achse unter Verwendung der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten und der Roll- und Nickwinkel, dergestalt, dass Dreiachsen-Erdmagnetdaten die Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten zuzüglich der errechneten Einachs-Magnetdaten einer virtuellen Z-Achse umfassen;
ein Mittel zum Ausführen einer Koordinatenkonversion der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten und der Magnetdaten einer virtuellen Z-Achse in ein horizontales Koordinatensystem; und
ein Mittel zum Berechnen des Azimuts aus den koordinatenkonvertierten Werten der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten.According to the invention, there is provided an apparatus for calculating an azimuth angle, comprising:
a two-axis earth magnetic sensor for generating first and second perpendicular-axis magnetic data; and
a two-axis inclinometer for calculating a roll angle ⎕ and a pitch angle ⎕
the device further comprising:
a means for generating magnetic data of a virtual Z-axis using the first and second perpendicular-axis magnetic data and the roll and pitch angles such that three-axis earth magnetic data includes the two-axis earth magnetic sensor data plus the calculated one-axis magnetic data of a virtual Z-axis;
a means for performing a coordinate conversion of the first and second perpendicular-axis magnetic data and the magnetic data of a virtual Z-axis into a horizontal coordinate system; and
means for calculating the azimuth from the coordinate-converted values of the first and second perpendicular-axis magnetic data.

Die Erfindung kann somit einen Lagefehler eines Erdmagnetsensors unter Verwendung von Informationen zu einem Erdmagnetfeld, die mittels eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors und eines Neigungswinkelmessers gewonnen wurden, kompensieren. Daraus lassen sich genaue Azimutinformationen gewinnen.The invention can thus detect a positional error of a geomagnetic sensor using Informa Compensate for a geomagnetic field, which were obtained by means of a two-axis geomagnetic sensor and a tilt angle. From this, accurate azimuth information can be obtained.

Die Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Berechnen eines Azimutwinkels bereit, das Folgendes umfasst:
Erzeugen erster und zweiter Senkrechtachsen-Magnetdaten; und
Gewinnen von Neigungswinkelmessdaten, die einen Rollwinkel ⎕ und eine n Nickwinkel ⎕ umfassen;
wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst:
Erzeugen von Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse unter Verwendung der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten und der Roll- und Nickwinkel, um dadurch Dreiachsen-Erdmagnetdaten abzuleiten, welche die Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten zuzüglich der errechneten Einachs-Magnetdaten einer virtuellen Z-Achse umfassen;
Ausführen einer Koordinatenkonversion der Dreiachsen-Erdmagnetdaten in ein horizontales Koordinatensystem; und
Berechnen des Azimutwinkels unter Verwendung der koordinatenkonvertierten Werte der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten.The invention further provides a method of calculating an azimuth angle, comprising:
Generating first and second perpendicular-axis magnetic data; and
Obtaining tilt angle measurement data including a roll angle ⎕ and an n pitch angle ⎕;
the method further comprising:
Generating earth magnetic data of a virtual Z-axis using the first and second perpendicular-axis magnetic data and the roll and pitch angles, thereby deriving three-axis earth magnetic data including the two-axis earth magnetic sensor data plus the calculated one-axis magnetic data of a virtual Z axis;
Performing a coordinate conversion of the three-axis earth magnetic data into a horizontal coordinate system; and
Calculating the azimuth angle using the coordinate-converted values of the first and second perpendicular-axis magnetic data.

Die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung ermöglichen das Berechnen genauer Azimutinformationen durch Kompensieren eines Lagefehlers eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors. Falls der Zweiachsen-Erdmagnetsensor an einer Vorrichtung montiert wird, welche die Azimutinformationen benötigt (zum Beispiel ein Navigationssystem, eine Spielekonsole, ein PDA, ein Mobiltelefon usw.), so lassen sich mittels der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die Lageinformationen unter Verwendung eines Zweiachsen-Neigungswinkelmessers errechnen und dann Fehler entsprechend der Lage des Erdmagnetsensors kompensieren, um die genauen Azimutinformationen zu erhalten.The The apparatus and method of the invention enable computing more accurately Azimuth information by compensating a positional error of a two-axis geomagnetic sensor. If the two-axis earth magnetic sensor is mounted on a device which requires the azimuth information (for example a navigation system, a game console, a PDA, a cellphone, etc.), so let's go by means of the apparatus and method according to the present invention the attitude information using a two-axis inclinometer calculate and then errors according to the position of the geomagnetic sensor compensate for the exact azimuth information.

Ein Algorithmus zum Errechnen der Koordinatenkonversionsmatrix zum Konvertieren der Erdmagnetsensordaten in das horizontale Koordinatensystem kann Folgendes umfassen: Konvertieren einer Einheit der Neigungswinkelmessdaten, die in dem internen Register des Mikroprozessors gespeichert sind, in eine SI-Einheit durch Multiplizieren der Neigungswinkelmessdaten mit einem Skalierungsfaktor, Berechnen einer Lage unter Verwendung der konvertierten Neigungswin kelmessdaten und Berechnen der Koordinatenkonversionsmatrix unter Verwendung des errechneten Lagewertes.One Algorithm for calculating the coordinate conversion matrix for conversion the geomagnetic sensor data in the horizontal coordinate system can Include: converting a unit of tilt angle measurement data, which are stored in the internal register of the microprocessor, into an SI unit by multiplying the inclination angle measurement data with a scale factor, calculating a location using the converted tilt angle measurement data and calculating the coordinate conversion matrix using the calculated position value.

Ein Algorithmus zum Erzeugen der Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse im Fall der Verwendung des Zweiachsen-Erdmagnetsensors kann Folgendes umfassen: Einstellen von Erdmagnetdaten, die gemessen werden, wenn der Erdmagnetsensor in eine vertikale Abwärtsrichtung der Erde weist, und Erzeugen der Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse unter Verwendung der errechneten Lageinformationen und der X-Achsen- und Y-Achsen-Erdmagnetdaten.One Algorithm for generating the earth magnet data of a virtual Z-axis in the case of using the two-axis earth magnetic sensor may include: Setting Earth Magnetic Data Measured When the Earth Magnetic Sensor in a vertical downward direction pointing the earth, and generating the earth magnet data of a virtual Z-axis using the calculated attitude information and X-axis and Y-axis earth magnetic data.

Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail unter Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, die Folgendes darstellen:It are now preferred embodiments the invention in detail with reference to the attached drawings describe the following:

1 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Berechnen eines Azimutwinkels durch Kompensieren eines Lagefehlers durch einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 1 FIG. 10 is a view illustrating a method of calculating an azimuth angle by compensating for a positional error by a bi-axis earth magnetic sensor according to the present invention. FIG.

2 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors und einer Lagefehlerkompensationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 2 Fig. 13 is a view illustrating the structure of a two-axis earth magnetic sensor and a positional error compensating device according to the present invention.

3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Mikroprozessors, der an dem Zweiachsen-Erdmagnetsensor montiert ist, und einer Lagefehlerkompensationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 3 FIG. 10 is a flowchart illustrating the operation of the microprocessor mounted on the dual-axis earth magnetic sensor and a position error compensation device in accordance with the present invention. FIG.

4 ist ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der Lage veranschaulicht, die unter Verwendung des Neigungswinkelmessers gemäß der vorliegenden Erfindung errechnet wurde. 4 Fig. 10 is a graph illustrating the experimental result of the position calculated using the inclination angle meter according to the present invention.

5 ist ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse veran schaulicht, die unter Verwendung des Zweiachsen-Erdmagnetsensors und des Neigungswinkelmessers errechnet wurden. 5 FIG. 12 is a graph plotting the experimental result of the earth magnetic data of a virtual Z-axis calculated using the two-axis earth magnetic sensor and the tilt angle meter. FIG.

6 ist ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis des Azimutwinkels veranschaulicht, der unter Verwendung des Zweiachsen-Erdmagnetsensors und des Neigungswinkelmessers errechnet wurde. 6 is a graph illustrating the experimental result of the azimuth angle light, which was calculated using the two-axis earth magnetic sensor and the inclination angle meter.

Es werden nun eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Berechnen eines Azimutwinkels gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen.It Now, an apparatus and a method for calculating a Azimuth angle according to the preferred embodiments of the present invention in detail with reference to the attached drawings described in which like reference numerals designate like elements.

1 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Berechnen eines Azimutwinkels durch Kompensieren eines Lagefehlers durch einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Verfahren enthält einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor 101, einen Neigungswinkelmesser 102, eine Lage-(zum Beispiel Koordinaten-)Konversionsmatrix 103, eine Erzeugung 104 von Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse, eine Erdmagnetdatenkoordinatenkonversion 105 und eine Azimutwinkelberechnung 106. 1 FIG. 10 is a view illustrating a method of calculating an azimuth angle by compensating for a positional error by a bi-axis earth magnetic sensor according to the present invention. FIG. The method includes a two-axis geomagnetic sensor 101 , an inclinometer 102 , a location (for example, coordinate) conversion matrix 103 , a generation 104 of geomagnetic data of a virtual Z-axis, a geomagnetic data coordinate conversion 105 and an azimuth angle calculation 106 ,

Der Erdmagnetsensor 101, bei dem es sich um einen Fluxgate-Sensor oder einen Magnetowiderstand (MW) handeln kann, misst die Stärke des Erdmagnetfeldes und umfasst einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor mit einer X-Achse in der Vorwärtsrichtung des Sensormoduls und einer Y-Achse in der Rückwärtsrichtung von der X-Achse in einem Winkel von 90°.The geomagnetic sensor 101 , which may be a fluxgate sensor or magnetoresistor (MW), measures the strength of the earth's magnetic field and includes a bi-axial earth magnetic sensor having an x-axis in the forward direction of the sensor module and a y-axis in the reverse direction of FIG X-axis at an angle of 90 °.

Der Neigungswinkelmesser 102 misst einen Neigungswinkel des Sensors 101 relativ zur Erdoberfläche, und es kann ein Beschleunigungsmesser als der Neigungswinkelmesser verwendet werden. Falls der Beschleunigungsmesser, der nur die Erdbeschleunigung bei Stillstand misst, als der Neigungswinkelmesser verwendet wird, können die Lageinformationen durch Messen der Beschleunigungen verschiedener Niveaus entsprechend der Lage unter Verwendung des im rechten Winkel angeordneten Zweiachsen oder Dreiachsenmoduls errechnet werden. Im Fall der Verwendung des Zweiachsen-Beschleunigungsmessers wird die Beschleunigung mittels der Gleichungen 1a und 1b gemessen, und die Lage wird unter Verwendung der Gleichungen 2a und 2b berechnet. ax = g⎕sin⎕ (1a) ay = g⎕sin⎕ (1b) ⎕ = sin-1(⎕y/g) (2a) ⎕ = sin-1(⎕x/g) (2b) The inclinometer 102 measures a tilt angle of the sensor 101 relative to the earth's surface, and an accelerometer can be used as the tilt angle meter. If the accelerometer measuring only the ground acceleration at standstill is used as the tilt angle meter, the attitude information can be calculated by measuring the accelerations of various levels corresponding to the attitude using the right angle two-axis or three-axis modulus. In the case of using the two-axis accelerometer, the acceleration is measured by means of equations 1a and 1b, and the attitude is calculated using equations 2a and 2b. a x = g⎕sin⎕ (1a) a y = g⎕sin⎕ (1b) ⎕ = sin -1 (⎕ y / g) (2a) ⎕ = sin -1 (⎕ x / g) (2b)

Dabei sind ax und ay Ausgabewerte des X-Achsen- und Y-Achsen-Beschleunigungsmessers, g ist die Erdbeschleunigung, und ⎕ und ⎕ sind der Roll- bzw. der Nickwinkel.Here, a x and a y are output values of the X-axis and Y-axis accelerometers, g is the gravitational acceleration, and ⎕ and ⎕ are the roll and pitch angles, respectively.

Die Koordinatenkonversionsmatrix 103 dient zum Konvertieren der Erdmagnetsensordaten in das horizontale Koordinatensystem und ist folgendermaßen unter Verwendung der Lageinformationen aufgebaut, die unter Verwendung des Ausgabewertes des Neigungswinkelmessers 102 errechnet wurden.The coordinate conversion matrix 103 is used to convert the earth magnetic sensor data into the horizontal coordinate system, and is constructed as follows using the attitude information obtained using the output value of the tilt angle meter 102 were calculated.

Figure 00070001
Figure 00070001

Die Erdmagnetdaten 104 einer virtuellen Z-Achse dienen der Lagefehlerkompensation des Zweiachsen-Erdmagnetsensors und werden folgendermaßen unter Verwendung der zwei Ausgaben des Erdmagnetsensors und der oben berechneten Lageinformationen berechnet:

Figure 00080001
The earth magnet data 104 A virtual Z-axis is used for the positional error compensation of the two-axis geomagnetic sensor and is calculated as follows using the two outputs of the geomagnetic sensor and the position information calculated above:
Figure 00080001

Dabei ist Zh die Stärke des Erdmagnetfeldes, die zuerst experimentell gemessen wird, wenn eine Messachse des Erdmagnetsensors in eine vertikale Abwärtsrichtung der Erde weist.Here, Z h is the strength of the earth's magnetic field, which is first experimentally measured when a measuring axis of the geomagnetic sensor points in a vertical downward direction of the earth.

Die Koordinatenkonversion 105 der Erdmagnetsensorsdaten in das horizontale Koordinatensystem wird folgendermaßen ausgeführt.The coordinate conversion 105 the geomagnetic sensor data into the horizontal coordinate system is executed as follows.

Figure 00080002
Figure 00080002

Dabei sind [Xjg Yjg Zjg]T die Erdmagnetsensordaten.Here, [X jg Y jg Z jg ] T are the earth magnetic sensor data .

Die Azimutberechnung 106 wird folgendermaßen unter Verwendung der Erdmagnetdaten ausgeführt, deren Koordinate in das horizontale Koordinatensystem konvertiert wird. ⎕ = tan-1(Yh/Xh) (6) The azimuth calculation 106 is performed as follows using the terrestrial magnet data whose coordinate is converted to the horizontal coordinate system. ⎕ = tan -1 (Y H / X H ) (6)

2 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Schnittstelle für einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor veranschaulicht, der dafür konfiguriert ist, die Funktion von 1 auszuführen. Die Schnittstelle enthält einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor 201, einen Neigungswinkelmesser 202, eine Signalaufbereitungseinheit 203, einen Mikroprozessors 204, ein LCD-Modul 205 und eine serielle Kommunikationsschnittstelle 206. 2 FIG. 14 is a view illustrating the structure of an interface for a two-axis earth magnetic sensor configured to perform the function of FIG 1 perform. The interface contains a two-axis geomagnetic sensor 201 , an inclinometer 202 , a signal conditioning unit 203 , a microprocessor 204 , an LCD module 205 and a serial communication interface 206 ,

Die Signalaufbereitungseinheit 203 umfasst ein Tiefpassfilter zum Entfernen eines Stromversorgungsrauschens und eines Hochfrequenzrauschens und einen Analog-Digital (A/D)-Wandler zum Umwandeln des analogen Sensorsignals in einen digitalen Wert. Die Signalaufbereitungseinheit 203 ist notwendig, um das Sensorsignal zu verarbeiten, bevor es in den Mikroprozessor 204 eingespeist wird.The signal conditioning unit 203 includes a low pass filter for removing power noise and high frequency noise, and an analog to digital (A / D) converter for converting the analog sensor signal to a digital value. The signal conditioning unit 203 is necessary to process the sensor signal before entering the microprocessor 204 is fed.

Der Mikroprozessor 204 umfasst ein Register zum Speichern des aus dem A/D-Wandler 203 ausgegebenen Sensorsignals, eine ALE (Arithmetische Logikeinheit) und eine GKE (Gleitkommaeinheit) zum Kompensieren des Lagefehlers des Erdmagnetsensors und zum Berechnen der Azimutinformationen sowie einen internen Zeitgeber zum Einstellen eines Ausgabezeitraums zum Senden der Sensordaten und der errechneten Azimutinformationen an das LCD-Modul und die externe Vorrichtung.The microprocessor 204 includes a register for storing the from the A / D converter 203 outputted sensor signal, an ALE (Arithmetic Logic Unit) and a GKE (Floating Point Unit) for compensating the attitude error of the earth magnetic sensor and calculating the azimuth information, and an internal timer for setting an output period for sending the sensor data and the calculated azimuth information to the LCD module and the external one Contraption.

Das LCD-Modul 205 zeigt die aus dem Mikroprozessor 204 ausgegebenen Azimutinformationen an, so dass der Benutzer den Azimutwinkel der Vorrichtung erkennen kann, auf der das Erdmagnetsensormodul montiert ist.The LCD module 205 shows off the microprocessor 204 outputted azimuth information, so that the user can recognize the azimuth angle of the device on which the Erdmagnetsensormodul is mounted.

Die serielle Kommunikationsschnittstelle 206 dient dem Senden der Sensordaten und der aus dem Mikroprozessor 204 ausgegebenen Azimutinformationen an die externe Vorrichtung, und sie kann vom asynchronen seriellen Kommunikationstyp oder vom synchronen seriellen Kommunikationstyp sein.The serial communication interface 206 is used to send the sensor data and that from the microprocessor 204 It may be of the asynchronous serial communication type or the synchronous serial communication type.

3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Mikroprozessors, der an dem Zweiachsen-Erdmagnetsensor montiert ist, und einer Lagefehlerkompensationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 3 FIG. 10 is a flowchart illustrating the operation of the microprocessor mounted on the dual-axis earth magnetic sensor and a position error compensation device in accordance with the present invention. FIG.

Um die Ausgabewerte des Zweiachsen-Erdmagnetsensors 201 und des Neigungswinkelmessers 202 und die letztendlich errechneten Azimutinformationen an das externe System zu senden, wird zuerst der Datenausgabezeitraum unter Verwendung des internen Zeitgebers, der an dem Mikrocomputer 204 (Schritt 301) montiert ist, eingestellt.To the output values of the two-axis earth magnetic sensor 201 and the inclinometer 202. and send the finally calculated azimuth information to the external system, first the data output period using the internal timer connected to the microcomputer 204 (Step 301 ) is mounted.

Um die Ausgabewerte des Erdmagnetsensors 201 und des Neigungswinkelmessers 202 in digitale Werte umzuwandeln, wird ein A/D-Wandler-Steuersignal erzeugt (Schritt 302), und dann werden die konvertierten Sensordaten in dem internen Register gespeichert (Schritt 303).To the output values of the geomagnetic sensor 201 and the inclinometer 202 to convert to digital values, an A / D converter control signal is generated (step 302 ), and then the converted sensor data is stored in the internal register (step 303 ).

Die Lage des Sensorsmoduls wird mittels der Gleichungen 2a und 2b unter Verwendung der Neigungswinkelmessdaten unter den gespeicherten Sensordaten berechnet (Schritt 304). Unter Verwendung dieser errechneten Lage wird die Koordinatenkonversionsmatrix mittels Gleichung 3 (Schritt 305) berechnet.The position of the sensor module is calculated by means of equations 2a and 2b using the tilt angle measurement data among the stored sensor data (step 304 ). Using this calculated location, the coordinate conversion matrix is calculated using Equation 3 (step 305 ).

Die Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse werden mittels Gleichung 4 unter Verwendung der errechneten Lage und der Erdmagnetsensordaten, die in dem internen Register gespeichert sind, erzeugt (Schritt 306).The earth magnet data of a virtual Z-axis is generated by Equation 4 using the calculated position and the earth magnetic sensor data stored in the internal register (Step 306 ).

Die Dreiachsen-Erdmagnetdaten (d. h. die Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten und die errechneten Einachs-Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse) werden in die Stärke des Erdmagnetfeldes in dem horizontalen Koordinatensystem mittels Gleichung 5 unter Verwendung der errechneten Koordinatenkonversionsmatrix umgewandelt (Schritt 307). Unter Verwendung dieser konvertierten Daten wird der Azimutwinkel mittels Gleichung 6 berechnet (Schritt 308).The three-axis earth magnetic data (ie, the two-axis earth magnetic sensor data and the calculated one-axis earth magnetic data of a virtual Z axis) are converted into the strength of the earth's magnetic field in the horizontal coordinate system using Equation 5 using the calculated coordinate conversion matrix (Step 307 ). Using this converted data, the azimuth angle is calculated by Equation 6 (step 308 ).

Es wird festgestellt, ob eine Unterbrechung durch den Datenausgabezeitraum, der in dem internen Zeitgeber eingestellt wurde, erzeugt wird (Schritt 309).It is determined whether an interruption is generated by the data output period set in the internal timer (step 309 ).

Wenn festgestellt wird, dass die Zeitgeberunterbrechung nicht erzeugt wurde, so kehrt der augenblickliche Schritt zum vorherigen Schritt 302 des Konvertierens der Sensorda ten in den digitalen Wert zurück, um die Ausführung des Schrittes 302 zu wiederholen. Wenn nun festgestellt wird, dass die Zeitgeberunterbrechung erzeugt wurde (Schritt 309), so werden die wie oben berechneten Azimutinformationen und die Sensordaten unter Verwendung der seriellen Kommunikation an das externe System gesendet (Schritt 310) und an das LCD-Modul zum Anzeigen ausgegeben (Schritt 311). Danach kehrt der Betriebsablauf zu Schritt 302 des Konvertierens von Sensordaten in einen digitalen Wert zurück und wiederholt anschließend die Schritte, bis die nächste Zeitgeberunterbrechung erzeugt wird.If it is determined that the timer interrupt has not been generated, the current step returns to the previous step 302 of converting the sensor data back to the digital value to complete the execution of the step 302 to repeat. Now, if it is determined that the timer interrupt has been generated (step 309 ), the azimuth information and the sensor data calculated as above are sent to the external system using the serial communication (step 310 ) and to the LCD module for display (step 311 ). Thereafter, the operation returns to step 302 The process of converting sensor data back to a digital value then repeats the steps until the next timer interrupt is generated.

4 ist ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der Lage veranschaulicht, die mittels Gleichung 2 unter Verwendung des Neigungswinkelmessers 202 gemäß der vorliegenden Erfindung errechnet wurde. 4 FIG. 4 is a graph illustrating the experimental result of the situation represented by Equation 2 using the inclinometer 202 was calculated according to the present invention.

5 ist ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der mittels Gleichung 4 errechneten Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse im Vergleich zur Z-Achse des Dreiachsen-Erdmagnetsensors veranschaulicht. In 5 stellt die Strichlinie die Z-Achse des Dreiachsen-Erdmagnetsensors dar, und die durchgezogene Linie stellt die Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse dar, die mittels Gleichung 4 errechnet wurden. Es ist zu erkennen, dass die Z-Achsen-Erdmagnetdaten, die sich entsprechend der Lageveränderung ändern, mittels Gleichung 4 korrekt erzeugt werden. 5 FIG. 13 is a graph illustrating the experimental result of the virtual magnet axis Z-axis calculated by Equation 4 compared to the Z-axis of the three-axis earth magnetic sensor. In 5 The dashed line represents the Z-axis of the three-axis earth magnetic sensor, and the solid line represents the earth magnetic data of a virtual Z-axis calculated by Equation 4. It can be seen that the Z-axis earth magnetic data that changes according to the attitude change is generated correctly by Equation 4.

6 ist ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis des Azimutwinkel veranschaulicht, der mittels der Gleichungen 5 und 6 unter Verwendung der erzeugten Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse, des Ausgangssignals des Zweiachsen-Erdmagnetsensors und der errechneten Koordinatenkonversionsmatrix für den Fall berechnet wurde, dass sich die Lage verändert. Die Strichlinie stellt den unkompensierten Azimutwinkel dar, was eine starke Veränderung des Azimutwinkels aufzeigt, während die durchgezogene Linie den kompensierten Azimutwinkel darstellt, was zeigt, dass der Azimutwinkel nur innerhalb eines Fehlerbereichs geändert wird, wo die Änderung des Azimutwinkels gering ist. 6 FIG. 12 is a graph illustrating the experimental result of the azimuth angle calculated by equations 5 and 6 using the generated virtual Z-axis earth magnet data, the bi-axial earth magnetic sensor output, and the calculated coordinate conversion matrix in the case where the attitude changed. The dashed line represents the uncompensated azimuth angle, indicating a large change in the azimuth angle, while the solid line represents the compensated azimuth angle, indicating that the azimuth angle is changed only within an error range where the change in azimuthal angle is small.

Gemäß der Vorrichtung zum Berechnen des Azimutwinkels durch die Lagefehlerkompensation des Erdmagnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Azimutinformationen dem Benutzer unter Verwendung eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors und eines Zweiachsen-Neigungswinkelmessers und Überwinden der technischen Beschränkungen des Zweiachsen-Erdmagnetsensormoduls bereitgestellt. Dadurch wird die Notwendigkeit für existierende Dreiachsen-Erdmagnetsensoren mit dem Neigungswinkelmesser vermieden.According to the device for calculating the azimuth angle by the attitude error compensation the earth magnetic sensor according to the present invention Invention, the azimuth information to the user using a two-axis earth magnetic sensor and a two-axis tilt angle meter and overcome the technical limitations of the two-axis earth magnetic sensor module. This will the need for existing three-axis earth magnetic sensors with the inclinometer avoided.

Die vorliegende Erfindung kann zweckmäßig in jeder Situation verwendet werden, in der die Azimutinformationen benötigt werden. Wenn es zum Beispiel beabsichtigt ist, den Steuerkurs des Benutzers unter Verwendung einer elektronischen Karte, die in einem PDA gespeichert ist, zu überprüfen, so wird der momentane genaue Azimutwinkel des Benutzer erkannt, und die Karte wird entsprechend gedreht, um auf der LCD des PDA angezeigt zu werden, so dass der Benutzer bequem seinen eigenen Steuerkurs feststellen kann.The The present invention can be suitably used in any situation where the azimuth information is needed. If it is for example it is intended to use the heading of the user an electronic card that is stored in a PDA, so check the current exact azimuth angle of the user is detected, and the card will be rotated accordingly to appear on the LCD of the PDA to be, so that the user can easily make his own heading can determine.

Außerdem erleichtert die vorliegende Erfindung die Implementierung dreidimensionaler Spiele durch Verwenden der Informationen zur Drehrichtung der Spielekonsole zusätzlich zur Lage der Spielekonsole, und des Weiteren kann sie als eine Dateneingabevorrichtung einer virtuellen Realität verwendet werden.Also relieved the present invention implementation of three-dimensional Play by using the game console direction information additionally to the location of the game console, and further it may act as a data entry device a virtual reality be used.

Obgleich die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Umbauten daran vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.Although the present invention has been described in detail it turns out that different changes, Replacements and conversions can be made without within the scope of the invention as defined in the appended claims is to deviate.

Claims (7)

Vorrichtung zum Berechnen eines Azimutwinkels, die Folgendes umfasst: einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor (101) zum Erzeugen erster und zweiter Senkrechtachsen-Erdmagnetsensordaten; und einen Zweiachsen-Neigungswinkelmesser (102) zum Berechnen eines Rollwinkels ⎕ und eines Nickwinkels ⎕; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel (104) zum Erzeugen von Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse unter Verwendung der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Erdmagnetsensordaten und der Roll- und Nickwinkel und der Stärke des Erdmagnetfeldes Zh, dergestalt, dass Dreiachsen-Erdmagnetdaten die Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten zuzüglich der errechneten Einachs-Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse umfassen; ein Mittel (105) zum Ausführen einer Koordinatenkonversion der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Erdmagnetsensordaten und der Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse in ein horizontales Koordinatensystem; und ein Mittel (106) zum Berechnen des Azimuts aus den koordinatenkonvertierten Werten der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten.Apparatus for calculating an azimuth angle, comprising: a two-axis earth magnetic sensor ( 101 ) for generating first and second perpendicular axis earth magnetic sensor data; and a two-axis inclinometer ( 102 ) for calculating a roll angle ⎕ and a pitch angle ⎕; characterized in that the apparatus further comprises: means ( 104 to generate earth magnetic data of a virtual Z-axis using the first and second perpendicular axis earth magnetic sensor data and the roll and pitch angles and the strength of the earth magnetic field Z h , such that three-axis earth magnetic data includes the two-axis earth magnetic sensor data plus the calculated one-axle earth magnetic data include virtual Z-axis; a means ( 105 ) for performing a coordinate conversion of the first and second perpendicular axis earth magnetic sensor data and the earth magnetic data of a virtual Z axis into a horizontal coordinate system; and a means ( 106 ) for calculating the azimuth from the coordinate-converted values of the first and second perpendicular-axis magnetic data. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ausführen der Koordinatenkonversion das Verwenden der Koordinaten konversionsmatrix oder eines Äquivalents einer solchen Koordinatenkonversionsmatrix umfasst:
Figure 00140001
The apparatus of claim 1, wherein performing the coordinate conversion comprises using the coordinate conversion matrix or an equivalent of such a coordinate conversion matrix:
Figure 00140001
 Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zweiachsen-Erdmagnetsensor (101) dafür konfiguriert ist, an einer Vorrichtung montiert zu werden, die Azimutinformationen benötigt, um eine Stärke eines Erdmagnetfeldes entsprechend den Azimutinformationen zu messen, wenn sich die Vorrichtung bewegt, wobei die Vorrichtung des Weiteren einen Analog-Digital (A/D)-Wandler (203) zum Umwandeln der Magnetsensordaten in digitale Werte umfasst, wobei das Mittel zum Berechnen einen Mikroprozessor (204) umfasst, und wobei die Vorrichtung des Weiteren eine serielle Kommunikationsschnittstelle (206) zum Senden der durch den Mikroprozessor verarbeiteten Daten und ein LCD (205)-Modul zum Anzeigen der durch den Mikroprozessor berechneten Azimutinformationen umfasst.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the bi-axial earth magnetic sensor ( 101 ) is configured to be mounted on a device which requires azimuth information to measure a strength of a geomagnetic field in accordance with the azimuth information as the device moves, the device further comprising an analog-to-digital (A / D) converter ( 203 ) for converting the magnetic sensor data into digital values, wherein the means for calculating a microprocessor ( 204 ), and wherein the device further comprises a serial communication interface ( 206 ) for transmitting the data processed by the microprocessor and an LCD ( 205 ) Module for displaying the azimuth information computed by the microprocessor. Verfahren zum Berechnen eines Azimutwinkels, das Folgendes umfasst: Erzeugen erster und zweiter Senkrechtachsen-Erdmagnetsensordaten; und (304) Gewinnen von Neigungswinkelmessdaten, die einen Rollwinkel ⎕ und einen Nick Winkel ⎕ umfassen; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: (306) Erzeugen von Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse unter Verwendung der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Erdmagnetsensordaten und der Roll- und Nickwinkel und der Stärke des Erdmagnetfeldes Zh, um dadurch Dreiachsen-Erdmagnetdaten abzuleiten, welche die Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten zuzüglich der errechneten Einachs-Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse umfassen; (307) Ausführen einer Koordinatenkonversion der Dreiachsen-Erdmagnetdaten in ein horizontales Koordinatensystem; und (308) Berechnen des Azimutwinkels unter Verwendung der koordinatenkonvertierten Werte der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Erdmagnetsensordaten.A method of calculating an azimuth angle, comprising: generating first and second perpendicular axis earth magnetic sensor data; and ( 304 Obtaining tilt angle measurement data comprising a roll angle ⎕ and a pitch angle ⎕; characterized in that the method further comprises: ( 306 ) Generating earth magnetic data of a virtual Z axis using the first and second perpendicular axis earth magnetic sensor data and the roll and pitch angles and the strength of the earth magnetic field Z h to thereby derive three axis earth magnetic data representing the two axis earth magnetic sensor data plus the calculated one axis earth magnetic data a virtual Z-axis; ( 307 ) Performing a coordinate conversion of the three-axis earth magnetic data into a horizontal coordinate system; and ( 308 Calculate the azimuth angle using the coordinate converted values of the first and second perpendicular axis earth magnetic sensor data. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verfahren des Weiteren das Aufstellen einer Koordinatenkonversionsmatrix umfasst, wobei die Koordinatenkonversionsmatrix Folgendes umfasst:
Figure 00150001
oder ein Äquivalent dessen; und wobei das Ausführen einer Koordinatenkonversion das Verwenden der Koordinatenkonversionsmatrix oder eines Äquivalents der Koordinatenkonversionsmatrix umfasst.The method of claim 4, wherein the method further comprises establishing a coordinate conversion matrix, the coordinate conversion matrix comprising:
Figure 00150001
or an equivalent of it; and wherein performing a coordinate conversion comprises using the coordinate conversion matrix or an equivalent of the coordinate conversion matrix. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Algorithmus zum Erzeugen der Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse Folgendes umfasst: einen ersten Schritt des experimentellen Messens einer Stärke eines Erdmagnetfeldes, das gemessen wird, wenn eine Messachse des Erdmagnetsensors in eine vertikale Abwärtsrichtung der Erde weist, einen zweiten Schritt des Berechnens der Lage unter Verwendung eines Ausgangssignals des Neigungswinkelmessers; einen dritten Schritt des Messens der Stärke des Erdmagnetfeldes, das in der X-Achsen- und der Y-Achsen-Richtung eines Sensormoduls unter Verwendung des Zweiachsen-Erdmagnetsensors; und einen vierten Schritt des Erzeugens der Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse unter Verwendung der errechneten Lage und eines Ausgabewertes des Zweiachsen-Erdmagnetsensors.Method according to claim 4 or 5, wherein an algorithm for generating the earth magnetic data of a virtual Z-axis includes: a first step of experimentally measuring a Strength of a geomagnetic field measured when a measuring axis of the Geomagnetic sensor points in a vertical downward direction of the earth, one second step of calculating the position using an output signal the tilt angle meter; a third step of measuring the strength of the earth's magnetic field in the X-axis and Y-axis directions of a sensor module using the two-axis earth magnetic sensor; and one fourth step of generating the earth magnet data of a virtual Z axis using the calculated position and an output value of the two-axis earth magnetic sensor. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, das des Weiteren folgende Schritte umfasst: (301) Einstellen eines Datenausgabezeitraums unter Verwendung eines internen Zeitgebers, der auf einem Mikrocomputer montiert ist; (302) Konvertieren der erzeugten analogen Senkrechtachsen-Erdmagnetsensordatenwerte in digitale Datenwerte unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers; (303) Speichern der konvertierten Sensordaten in einem internen Register des Mikroprozessors; und (309) Erzeugen einer Zeitgeberunterbrechung in Reaktion auf den in dem internen Zeitgeber eingestellten Ausgabezeitraum, in Reaktion darauf Senden der Sensordaten und der errechneten Azimutdaten an ein externes System über eine serielle Kommunikation und Anzeigen der Sensordaten und der errechneten Azimutdaten auf einem LCD-Modul.The method of claim 4, 5 or 6, further comprising the steps of: ( 301 Setting a data output period using an internal timer mounted on a microcomputer; ( 302 Converting the generated vertical axis analog magnetic sensor data into digital data using an analog-to-digital converter; ( 303 ) Storing the converted sensor data in an internal register of the microprocessor; and ( 309 ) Generating a timer interrupt in response to the output period set in the internal timer, in response thereto sending the sensor data and the calculated azimuth data to an external system via serial communication and displaying the sensor data and the calculated azimuth data on an LCD module.
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